[发明专利]负极和包括该负极的锂二次电池

说明书

公开了一种负极和一种包括该负极的锂二次电池。所述负极包括：集电器；和设置在所述集电器的至少一个表面上的负极活性材料层，并且所述负极活性材料层包括：1)包括多个含Mg氧化硅的负极活性材料；2)包括多个石墨烯和单壁碳纳米管(Single‑walled Carbon Nanotube，SWCNT)的导电材料；和3)粘合剂，其中所述单壁碳纳米管经由线接触将含Mg氧化硅互连，并且所述单壁碳纳米管通过所述石墨烯互连，所述石墨烯具有0.8至1.5的D/G带强度比，并且所述石墨烯的所述D/G带强度比被定义为由石墨烯的拉曼光谱确定的在1360±50cm^‑1处的D带的最大峰强度与在1580±50cm^‑1处的G带的最大峰强度的比的平均值。

技术领域

本公开内容涉及一种具有改进的寿命特性的负极和一种包括该负极的锂二次电池。

本申请要求享有于2020年9月21日在韩国提交的韩国专利申请第10-2020-0121830号的优先权，通过引用将该韩国专利申请的公开内容结合在此。

背景技术

近来，随着移动设备、个人计算机、电动机和当代电容器装置的发展和普及，对高容量能源的需求已不断增长。这种能源的典型示例包括锂二次电池。由于硅的容量(约4200mAh/g)是常规用作负极材料的石墨基材料的容量(理论容量：372mAh/g)的约10倍或更多，因此硅作为用于下一代类型的非水电解质二次电池的负极材料已获得许多关注。因此，已提出将与锂形成合金并显示出高理论容量的硅作为替代碳质材料的新型负极活性材料。

然而，硅在充电期间经历体积膨胀且在放电期间经历体积收缩。为此，当二次电池重复地充电/放电时，用作负极活性材料的硅被微粒化并显示出在电极中失去传导路径的分离颗粒的增加，导致二次电池的容量劣化。

已经尝试执行硅的微粒化以改进循环特性。结果，能够预期随着微粒化的进行，可改进循环特性。然而，在减小晶体硅的微晶尺寸方面存在限制。因此，难以充分地解决硅在充电/放电期间的微粒化的问题。

已提出使用氧化硅(SiO_x)作为改进循环特性的另一方法。当氧化硅(SiO_x)在1,000℃或更高的高温下通过歧化(disproportionation)而分解为Si和SiO₂时，氧化硅(SiO_x)形成具有数纳米尺寸的硅晶体均匀地分散在氧化硅中的结构。预期当将这种氧化硅应用于二次电池的负极活性材料时，氧化硅提供对应于硅负极活性材料的容量的约一半的低容量，但显示出是碳质负极活性材料的容量的约5倍的容量。此外，在充电/放电期间氧化硅在结构上表现出较小的体积变化，而提供优异的循环寿命特性。然而，当进行初始充电时，氧化硅与锂进行反应而产生硅化锂和氧化锂(氧化锂和硅酸锂)。特别地，氧化锂不能参与随后的电化学反应，并且在初始充电时运输到负极的一部分锂不能返回到正极，因而发生不可逆的反应。在氧化硅的情况中，其与其他硅基负极相比显示出较高的不可逆容量，并提供70％-75％的显著较低的初始充电效率(ICE，初始放电容量与充电容量的比率)。这种低初始效率要求在制造二次电池时有过量的正极容量，以产生负极的每单位重量容量的抵消。

此外，当使用氧化硅作为负极活性材料时，使用碳纳米管(CNT)作为导电材料以用于提高电导率并抑制电气短路。然而，在经历体积收缩/膨胀之后碳纳米管从氧化硅的表面分离，从而导致电气短路。

因此，当使用氧化硅作为负极活性材料时，仍需开发一种氧化硅基材料，该氧化硅基材料减少造成这种不可逆性的氧化锂的产生，并因而能够满足寿命特性以及初始容量/效率。

发明内容

技术问题